Garniture à régulation de fuite La présente invention a pour objet une garniture à régulation de fuite pour machines tournantes, notam ment pompes et compresseurs.
Ces garnitures comportent, d'une part, un grain fixe et, d'autre part, un grain mobile, entraîné en rota tion par l'arbre. Pour qu'un joint tournant fonctionne correctement, il est nécessaire qu'il existe entre les faces des grains une pellicule de liquide évitant la détérioration des faces de ces grains. Par suite des variations de pression qui peuvent se produire et des pressions très élevées utilisées actuellement, il est nécessaire de maintenir la valeur de cette pellicule et par suite de cette fuite de manière qu'elle reste sensi blement constante et à une valeur aussi réduite que possible compatible avec un fonctionnement correct.
Dans ce but, on a proposé différentes solutions qui apparaissent plus spécialement sur les fig. 1 et 2 du dessin annexé.
Sur ces figures, un arbre tournant 1 sur lequel flotte un grain fixe 2, entraîne en rotation un grain mobile 3 qui est monté d'une manière étanche sur l'arbre par l'intermédiaire d'un joint 4. Le grain fixe 2 est flottant sur le support correspondant 5 grâce à un joint d'étanchéité 6. Sur ces figures, le jeu entre les grains est considérablement exagéré pour faciliter la compréhension de l'exposé.
La fig. 1 illustre une solu tion classique dans laquelle on obtient une fuite déter minée par laminage de la pression dans un jeu 7, entre le grain. fixe. 2 et une partie de la face correspondante du grain mobile 3, partie qui s'étend jusqu'à la valeur du diamètre D d'équilibrage, c'est-à-dire le diamètre intérieur de la face extérieure du grain mobile sur laquelle s'exerce la pression de refoulement de la pompe. Au delà de ce diamètre, la face du grain mobile est décrochée de manière que le jeu en 8 soit plus important que le jeu en 7.
La zone de jeu 8 peut être considérée comme zone d'injection du fluide sous pression et il se produit un équilibrage. Cependant, du fait de l'usure inévitable entre les faces dans la zone-7, il en résulte une modifi- cation de la valeur du jeu 8, de sorte que l'équilibrage initialement prévu est modifié progressivement dans le temps.
Dans une autre réalisation connue illustrée par la fig. 2, on fait arriver la pression, par des perforations 9 de faible diamètre, ou bien par plusieurs rainures radiales, dans une gorge 10 située sensiblement au dia mètre d'équilibrage D. L'usure qui se produit ne change rien à l'équilibrage, mais celui-ci est vite com promis du fait de l'érosion rapide de ces perforations et des colmatages et obturations partielles ou totales des perforations 9.
D'autre part, si la section des per forations 9 ou des rainures radiales débouchant dans la gorge 10 est suffisamment grande pour ne pas être influencée par l'usure ou les obturations par des impu retés, il s'établit dans la gorge 10 une pression prati quement égale à la pression de refoulement de la pompe:
il se produit dans ces conditions une chute de pression très rapide entre cette gorge et la sortie de l'intervalle 7 de sorte que l'équilibrage des pressions et la commande des fuites deviennent difficiles, raison pour laquelle dans certains dispositifs connus on prévoit des dispositifs de rattrapage de jeu assez com pliqués et coûteux agissant sur la position axiale du grain fixe par rapport au grain tournant.
On a examiné ci-dessus le cas d'une garniture com portant un grain tournant et coulissant disposé en amont (c'est-à-dire côté haute-pression) et un grain fixe en rotation et immobilisé axialement en aval (c'est-à-dire côté basse pression), mais les, mêmes observations s'appliquent au cas d'une garniture com prenant un grain fixe en rotation et coulissant axiale- ment, monté en amont, et un grain tournant immobi lisé axialement, monté en aval,
un passage pour le liquide étant ménagé dans ce cas entre l'arbre et la sur face intérieure du grain fixe en rotation. Dans ce cas la pression de la pellicule de liquide formée par la fuite à travers l'intervalle entre les deux grains est équilibrée par la pression exercée par le liquide pompé sur la face située côté- haute pression du grain fixa en rotation et coulissant axialement. Dans ce cas,
la surface exté rieure du grain fixe en rotation est guidée en déplace ment axial avec interposition d'un joint d'étanchéité coulissant dans un alésage de la partie fixe de la machine et le diamètre de cette surface extérieure du grain fixe en rotation correspond au diamètre d'équili brage.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients exposés ci-dessus. La garniture à régula tion de fuite selon l'invention comprenant un grain soli daire en rotation à l'arbre et un grain fixe en rotation, l'un de ces grains, qui est disposé en amont, étant mobile axialement et un joint d'étanchéité coulissant étant interposé entre une surface cylindrique au grain amont du grain mobile axialement, caractérisé par le tandis que sa surface cylindrique opposée laisse un passage au liquide pompé qui pénètre dans l'intervalle entre les deux grains,
formant un chemin de fuite du liquide donnant lieu à l'établissement, entre les faces en regard des deux grains, d'une pellicule de liquide de protection, la pression régnant entre ces deux faces du grain équilibrant l'action du liquide pompé sur la face amont du grain mobile axialement, caractérisé par le fait que l'une au moins des faces en regard des deux grains présente au moins une rainure spirale d'aEmen- tation s'étendant depuis le bord périphérique, commu niquant avec la haute pression, de l'intervalle entre les deux grains,
vers au moins une rainure d'injection ménagée au voisinage du diamètre de la surface cylin drique du grain amont qui est munie d'un joint d'étan chéité coulissant.
Plusieurs formes d'exécution de l'object de l'inven tion et des variantes seront décrites, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel: La fig. 3 est une vue partielle, en coupe, d'une pre mière forme de réalisation; La fig. 4 est une vue en plan de la face active du grain tournant; La fig.5 est une vue correspondante d'une variante; La fi-. 6 est une vue partielle, en coupe, d'une seconde forme de réalisation; La fi-. 7 est une vue en plan de la face active du grain fixe; La fig. 8 est une variante; et La fig.9 illustre le diagramme de fonctionnement de ces garnitures.
Aux fig. 3 et 4, le grain tournant 3 présente, sur sa face active, une rainure spirale d'alimentation 11 qui s'étend du bord marginal extérieur 12, soumis à la pres sion, vers une gorge circulaire d'injection 13 ménagée au diamètre D d'équilibrage. La fig.5 illustre une variante dans laquelle la gorge 13 est remplacée par des alvéoles 13A, chaque alvéole étant alimenté par une rainure d'alimentation 11A.
La fig.6 illustre une autre forme de réalisation dans laquelle le grain 2, dénommé grain fixe, est monté non seulement flottant comme dans les autres réalisations, mais également coulissant sur le support fixe 5 par l'intermédiaire d'un joint torique d'étan chéité 14. Le grain tournant 3 n'est plus monté coulis sant sur l'arbre 1, mais il est bloqué sur celui-ci par un écrou 15.
Dans cette réalisation, le grain 2 soumis à la pression P, la fuite étant indiquée par la flèche F, porte la gorge d'injection 13B alimentée par la rainure 11B qui s'étent de cette gorge 13B vers la bord mar ginal intérieur 12B soumis à la pression P. La gorge d'injection 13B est située au diamètre d'équilibrage D. La fig. 8 montre une variante dans laquelle, comme dans la fig.5, la gorge d'injection est remplacée par des alvéoles 13C alimentés par des rainures 11C.
Le fonctionnement de la garniture décrite est le suivant: Pour une pression à étancher donnée d'un fluide de viscosité et de densité constante, la résultante des forces s'exerçant sur le grain est nulle pour un jeu déterminé entre faces. En effet, ces forces, d'ordre hydrostatique, sont: 1. Une force de répulsion tendant à écarter les deux faces dont la valeur dépend de la répartition des pressions sur toute la face. Cette répartition de pres sion, qui affecte une symétrie de révolution par rapport à l'axe de l'arbre, dépend de la pression dans la gorge d'injection. Pour un profil et un tracé donnés de la rai nure d'alimentation, la pression d'injection ne dépend que du jeu entre les faces.
2. Une force d'équilibrage opposée à la précédente qui provient de l'action de la pression de refoulement de la pompe sur la face externe du grain tournant, la valeur de cette force ne dépendant que du diamètre d'équilibrage. Pour certaines plages de valeurs des dia mètres d'équilibrage et d'injection, le système est stable. En effet, si le système fonctionne avec un jeu entre faces donné, une perturbation extérieure tend à modifier ce jeu. Si ce jeu augmente, la pression dans la gorge d'injection diminue et la force de répulsion diminue. Comme la force d'équilibrage n'est pas modi fiée, le système revient à son jeu initial. Inversement, si ce jeu diminue, la pression dans la rainure d'injec tion augmente et la force de répulsion augmente.
Comme la force d'équilibrage n'est pas modifiée, le système revient à son jeu initial.
La fig. 9 représente la répartition des pressions P entre les faces pour différentes valeurs du jeu.
En effet, le jeu de fonctionnement se situe entre le jeu presque nul et le jeu très élevé. Pour un jeu presque nul, le débit de fuite est très faible et la perte de charge de la rainure est minimum. Pratiquement, la pression dans la gorge d'injection est égale à la pres sion statique de refoulement de la pompe et la chute de pression se produit entre les points K et L. Le gra dient moyen de la chute de pression est maximum. Inversement pour un jeu très élevé, le débit de fuite de la rainure est très faible devant le débit entre faces. Une partie de la chute de pression se fait entre J et K. La valeur moyenne de la chute de pression est minimum.
La courbe en traits mixtes correspond à un jeu réduit au minimum possible entre les faces des grains du joint tournant. La courbe en tirets illustre la valeur des pressions pour un jeu très élevé et la courbe en trait plein correspond à un jeu normal de fonctionne ment.
Le diagramme a été établi en supposant la haute pression P agissant sur le diamètre extérieur du grain. La longueur développée de la rainure peut être augmentée à une valeur permettant l'usinage d'un profil de dimensions suffisantes pour: - être usiné avec des moyens classiques, - ne pas nécessiter de tolérances d'usinage très serrées, - être peu sensible à l'encrassement ou à l'érosion, - être peu sensible au colmatage, - être peu sensible à l'usure des faces. De plus, les faces des grains sont nettoyées auto matiquement en cas d'introduction de particules étran gères grâce à la rainure spirale d'alimentation.
De façon à ne pas perturber la symétrie de révolu tion de récoulement, la section et le tracé de; la rainure sont définis par la famille de courbe telle que pour un débit constant circulant dans la rainure, la perte de charge d'une portion de la courbe limitée entre le dia mètre haute pression et un diamètre quelconque soit proportionnelle à la perte de charge due au laminage entre les faces à débit constant entre les deux mêmes diamètres.
Leak-regulated seal The present invention relates to a leak-regulated seal for rotating machines, in particular pumps and compressors.
These linings comprise, on the one hand, a fixed grain and, on the other hand, a mobile grain, driven in rotation by the shaft. For a rotary joint to function correctly, it is necessary that there exists between the faces of the grains a film of liquid preventing the deterioration of the faces of these grains. As a result of the pressure variations which may occur and the very high pressures currently used, it is necessary to maintain the value of this film and consequently of this leakage so that it remains substantially constant and at a value as low as possible compatible with correct operation.
For this purpose, various solutions have been proposed which appear more especially in FIGS. 1 and 2 of the accompanying drawing.
In these figures, a rotating shaft 1 on which a fixed grain 2 floats, drives in rotation a mobile grain 3 which is mounted in a sealed manner on the shaft by means of a seal 4. The fixed grain 2 is floating on the corresponding support 5 thanks to a seal 6. In these figures, the play between the grains is considerably exaggerated to facilitate understanding of the description.
Fig. 1 illustrates a conventional solution in which a leakage determined by rolling the pressure in a clearance 7 between the grain is obtained. fixed. 2 and a part of the corresponding face of the mobile grain 3, part which extends up to the value of the balancing diameter D, that is to say the internal diameter of the external face of the mobile grain on which s 'exerts the pump discharge pressure. Beyond this diameter, the face of the movable grain is detached so that the play in 8 is greater than the play in 7.
The clearance zone 8 can be considered as a pressurized fluid injection zone and a balancing takes place. However, due to the inevitable wear between the faces in the zone-7, this results in a modification of the value of the clearance 8, so that the initially planned balancing is gradually modified over time.
In another known embodiment illustrated by FIG. 2, the pressure is made to arrive, through perforations 9 of small diameter, or else through several radial grooves, in a groove 10 located substantially at the balancing diameter D. The wear which occurs does not change the balancing process. , but this is quickly compromised due to the rapid erosion of these perforations and the partial or total blockages and blockages of the perforations 9.
On the other hand, if the section of the perforations 9 or of the radial grooves opening into the groove 10 is large enough not to be influenced by wear or blockages by impurities, it is established in the groove 10 a pressure practically equal to the discharge pressure of the pump:
under these conditions a very rapid pressure drop occurs between this groove and the outlet of the gap 7 so that the pressure balancing and the control of the leaks become difficult, which is why in certain known devices devices are provided. fairly complicated and expensive play take-up acting on the axial position of the fixed grain with respect to the rotating grain.
We examined above the case of a packing comprising a rotating and sliding grain arranged upstream (that is to say on the high-pressure side) and a fixed rotating grain and immobilized axially downstream (that is to say (i.e. low pressure side), but the same observations apply to the case of a packing comprising a fixed rotating and axially sliding grain, mounted upstream, and an axially immobilized rotating grain, mounted in downstream,
a passage for the liquid being formed in this case between the shaft and the inner surface of the fixed rotating grain. In this case the pressure of the film of liquid formed by the leakage through the gap between the two grains is balanced by the pressure exerted by the liquid pumped on the face situated on the high pressure side of the grain fixed in rotation and sliding axially. In that case,
the exterior surface of the rotating fixed grain is guided in axial displacement with the interposition of a sliding seal in a bore of the fixed part of the machine and the diameter of this exterior surface of the rotating rotating grain corresponds to the diameter balancing.
The object of the present invention is to remedy the drawbacks set out above. The leak-regulating packing according to the invention comprising a grain which is solid in rotation with the shaft and a fixed grain in rotation, one of these grains, which is arranged upstream, being axially movable and a seal of sliding seal being interposed between a cylindrical surface with the grain upstream of the axially movable grain, characterized by the while its opposite cylindrical surface leaves a passage for the pumped liquid which enters the gap between the two grains,
forming a liquid leak path giving rise to the establishment, between the opposite faces of the two grains, of a film of protective liquid, the pressure prevailing between these two faces of the grain balancing the action of the pumped liquid on the upstream face of the axially movable grain, characterized in that at least one of the opposite faces of the two grains has at least one spiral feed groove extending from the peripheral edge, communicating with the high pressure, the interval between the two grains,
towards at least one injection groove formed in the vicinity of the diameter of the cylindrical surface of the upstream grain which is provided with a sliding seal.
Several embodiments of the object of the invention and variants will be described, by way of example, with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 3 is a partial view, in section, of a first embodiment; Fig. 4 is a plan view of the active face of the rotating grain; Fig.5 is a corresponding view of a variant; The fi-. 6 is a partial view, in section, of a second embodiment; The fi-. 7 is a plan view of the active face of the fixed grain; Fig. 8 is a variant; and Fig. 9 illustrates the operating diagram of these seals.
In fig. 3 and 4, the rotating grain 3 has, on its active face, a spiral feed groove 11 which extends from the outer marginal edge 12, subjected to the pressure, towards a circular injection groove 13 formed at the diameter D balancing. FIG. 5 illustrates a variant in which the groove 13 is replaced by cells 13A, each cell being supplied by a supply groove 11A.
Fig.6 illustrates another embodiment in which the grain 2, called fixed grain, is mounted not only floating as in the other embodiments, but also sliding on the fixed support 5 by means of an O-ring of tightness 14. The rotating grain 3 is no longer slidably mounted on the shaft 1, but it is blocked on the latter by a nut 15.
In this embodiment, the grain 2 subjected to the pressure P, the leak being indicated by the arrow F, carries the injection groove 13B supplied by the groove 11B which extend from this groove 13B towards the internal marginal edge 12B subjected at pressure P. The injection groove 13B is located at the balancing diameter D. FIG. 8 shows a variant in which, as in FIG. 5, the injection groove is replaced by cells 13C supplied by grooves 11C.
The operation of the seal described is as follows: For a given pressure to be sealed of a fluid of constant viscosity and density, the resultant of the forces exerted on the grain is zero for a given clearance between faces. Indeed, these forces, of hydrostatic order, are: 1. A repulsive force tending to separate the two faces, the value of which depends on the distribution of the pressures on the whole face. This pressure distribution, which affects a symmetry of revolution with respect to the axis of the shaft, depends on the pressure in the injection groove. For a given profile and layout of the feed groove, the injection pressure only depends on the clearance between the faces.
2. A balancing force opposite to the previous one which comes from the action of the delivery pressure of the pump on the external face of the rotating grain, the value of this force depending only on the balancing diameter. For certain ranges of values of the balancing and injection diameters, the system is stable. Indeed, if the system operates with a given clearance between faces, an external disturbance tends to modify this clearance. If this clearance increases, the pressure in the injection groove decreases and the repulsion force decreases. As the balancing force is not changed, the system returns to its original clearance. Conversely, if this clearance decreases, the pressure in the injection groove increases and the repulsive force increases.
As the balancing force is not changed, the system returns to its original clearance.
Fig. 9 represents the distribution of pressures P between the faces for different values of the clearance.
Indeed, the operating clearance is between the almost zero clearance and the very high clearance. For almost zero clearance, the leakage rate is very low and the pressure drop of the groove is minimal. In practice, the pressure in the injection throat is equal to the static discharge pressure of the pump and the pressure drop occurs between points K and L. The average gradient of the pressure drop is maximum. Conversely for a very high clearance, the leakage rate of the groove is very low compared to the rate between faces. Part of the pressure drop occurs between J and K. The mean value of the pressure drop is minimum.
The curve in phantom lines corresponds to a clearance reduced to the minimum possible between the faces of the grains of the rotary joint. The dashed curve illustrates the pressure values for very high clearance and the solid line curve corresponds to normal operating clearance.
The diagram was established by assuming the high pressure P acting on the outside diameter of the grain. The developed length of the groove can be increased to a value allowing the machining of a profile of sufficient dimensions to: - be machined with conventional means, - do not require very tight machining tolerances, - be insensitive to fouling or erosion, - not very sensitive to clogging, - not very sensitive to wear on the faces. In addition, the grain faces are cleaned automatically in the event of the introduction of foreign particles thanks to the spiral feed groove.
So as not to disturb the symmetry of revolution of flow, the section and the route of; the groove are defined by the family of curve such that for a constant flow circulating in the groove, the pressure drop of a portion of the curve limited between the high pressure diameter meter and any diameter is proportional to the pressure drop due rolling between the faces at a constant rate between the same two diameters.